你瞭解你的分子嗎？以GPCR爲例，如何提高候選藥物的療效和開發的成功率

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前言

隨着藥物發現中使用的篩選技術的進步，包括基於細胞測定、AI和結構生物學的方法，人們提高了篩選命中率，並能夠識別出以前被認爲是難以成藥靶點的候選藥物。然而，候選藥物在臨牀試驗中的失敗率仍然非常高，缺乏療效是主要原因之一。一般來說，有四個可能的原因可以解釋候選藥物因療效而失敗率高的原因：對治療疾病所需的藥理作用缺乏瞭解；選擇了不合適的靶點以達到預期效果；選擇了不能有效調節靶點的候選藥物；以及未能充分表徵候選藥物的全部效果，並在合適的患者羣體中評估藥物。

第一和第二個原因根源於缺乏對疾病病理生理學的全面瞭解，這始終是新藥發現的挑戰，尤其是對於更復雜的疾病，單一靶點可能無法確定爲疾病的關鍵原因，並且該疾病患者之間存在相當大的異質性。而對於後兩種原因，更深入的表徵越來越重要，因爲藥物療效的“質量”，至少對於G蛋白偶聯受體（GPCR）來說，遠不止通常評估的激活途徑，如cAMP信號傳導，還有更多 “功效”可以用於治療，如偏向性信號傳導和變構調節。因此，充分了解候選分子的藥理學特徵，能夠發掘更復雜的藥理學潛力，可以更好地明確候選分子藥效，增加候選藥物進入臨牀試驗的成功概率。

關鍵的體外藥理學特徵

在體外研究中，GPCR靶向化合物的藥理學命中率優化通常研究四個特徵：結合模式（正構或變構）、親和力、功效和相互作用動力學。

結合模式

化合物是以正構還是變構的方式結合靶標是關於其作用模式所需的關鍵信息，因爲它區分了化合物與內源性激動劑引起的持續生理活性相互作用的體內特徵。此外，如果一種化合物具有變構作用，它將具有正構藥物所不具備的特性。例如，變構調節劑可以產生更微妙的作用，如信號傳導的有限減少，而不是消除反應，或增強內源性激動劑的作用。

親和力

與藥物靶點接觸需要多大濃度的藥物？藥物的親和力表明組織中受體的結合濃度；具體而言，藥物對特定受體的親和力爲Kd−1，Kd是一種濃度，當藥物濃度等於Kd時，組織中50%的受體被藥物佔據。

功效

分子的治療價值可能是由於它所具有的一系列功效，而不僅僅是一種活性。例如，β-腎上腺素受體阻滯劑理論上對心力衰竭有益，但在16種測試心力衰竭療效的β-阻滯劑中，只有卡維地洛顯示出真正的治療效果。那麼問題來了，爲什麼都具有β-阻滯劑特性，而這麼多分子都對心力衰竭無效？在這種情況下，關鍵可能是卡維地洛的一系列功效（阻斷β2-腎上腺素受體和α1-腎上腺素受體、抗氧化作用、抗內皮素作用和抗增殖特性），而不是單一的藥物特性。這些數據表明，候選藥物在體內傳遞的信號可能比以前認爲的要異質得多，並且在複雜的體內研究中，爲候選分子儘可能多地確定其功效可能是非常有用的。

與靶標相互作用的動力學

藥物在體內與靶標結合的時間長度可能是候選藥物在治療效果和選擇性方面總體特徵的一個非常重要的部分。事實上，有一些治療效果的例子更多地取決於藥物-靶標複合物在體內的壽命，而不是效力。例如，血管緊張素II 1型受體拮抗劑，其由於動力學而表現出作爲抗高血壓藥物的顯著分化。

體外到體內活性的轉化

體內分子評估包括藥物在靶標室中的存在、靶結合和停留時間（可能與體外結合和停留的時間不同）、有效性的研究，以及更復雜的藥理學分析，以更好地確定候選療效。

藥物在靶標室中的存在

這包括研究藥物吸收和分佈的藥代動力學。在這個階段，必須得到四個問題的答案：（1）給藥的劑量吸收了多少？（2） 被吸收的藥物在體內分佈在哪裡？（3） 藥物在體內停留多長時間？（4） 必須多久給藥一次才能達到血漿穩態濃度？瞭解藥代動力學參數及其對體內靶標獲取的影響對於新藥候選藥物至關重要。

體內靶標結合和停留時間

藥物必須在體內與治療靶點接觸纔能有效。例如，如果是由於巨大的分佈體積，那麼藥物在體內的半衰期很長是沒有用的。這是因爲藥物可能被隔離在脂肪組織等地方，在這些情況下，治療室中可能不存在藥物。藥物與靶標接觸的時間應與產生治療效果所需的時間相當，這可以通過藥物-靶標複合物足夠的藥代動力學特徵和有利的koff和kon率來實現的。

有效性

以療效爲重點的臨牀試驗（通常爲II期）和以療效爲中心的臨牀試驗之間存在差異（通常爲III期）。II期進行療效試驗以確定該藥物是否對人體有任何作用；爲了檢測這一點，基線需要儘可能統一，以提供觀察效果的能力，這通常是通過選擇狹窄的患者羣體來實現的。相比之下，III期試驗要在更異質的患者羣體中進行有效性試驗，以確定真正的治療效果。這是一個更嚴格的標準，也是許多藥物失敗的原因。

藥物藥理學分析的真實和模擬示例

慢性使用組胺H2受體阻滯劑後潰瘍治療的有效性喪失（真實例子）

急性時，組胺H2受體阻斷藥物可減少胃酸分泌並使潰瘍癒合，但一些H2阻斷劑在慢性治療中會失去活性；這歸因於H2受體的細胞表面表達增加。用反向激動劑觀察到活性損失，但用中性拮抗劑沒有觀察到。這是因爲在受體的持續細胞合成面前，反向激動劑阻止細胞表面的受體激活，以及隨後的正常受體內化。中性拮抗劑不能阻止受體自發激活，也不能阻止受體內化。儘管並非所有的反向激動劑都產生耐受性，但當分子在體內測試時，瞭解這種情況的發生可能是非常重要的。

α-腎上腺素受體激動劑升高血壓失敗（模擬）

在這種假設的情況下，已知在體外收縮血管的α-腎上腺素受體激動劑在體內不會升高中心核心血壓。隨後的分析表明，這種激動劑雖然非常有效，但其效力來源於高親和力而非高效力。這種化合物僅在非常敏感的組織中產生激動劑作用，但實際上可以在低敏感性的組織中作爲拮抗劑。這個例子的教訓是要確定激動劑功效的實際質量的價值。

未能增加阿爾茨海默病中膽鹼能神經傳遞下降（模擬）

一個假設的例子是補償阿爾茨海默症患者膽鹼能信號的下降，爲此，給予乙酰膽鹼受體正變構調節劑（PAM），但症狀沒有明顯改善。後續研究表明，PAM主要通過增加乙酰膽鹼對受體的親和力來產生對激動劑信號的增敏作用。考慮到阿爾茨海默病患者的膽鹼能信號傳導正在下降，這一切只會在較低濃度的神經元乙酰膽鹼下產生同樣低水平的刺激，但不會增加最大反應。這個例子的教訓是要明白PAM效應的分子機制，從而能夠選擇增加激動劑效力而不是親和力的PAM。

未能緩解用於糖尿病治療的GLP-1受體激動劑的副作用（模擬）

GLP-1受體激動劑用於糖尿病治療，但由於GLP-1受體的持續直接激活，已觀察到此類藥物的噁心和脫敏的副作用。理論上，GLP-1受體PAM只會產生胰島素增強作用。然而，除了增強GLP-1激動劑外，許多實驗性PAM還表現出直接激動作用，而這種作用必須在敏感的測試系統中才能確定。這個例子的教訓是要評估PAM中可能的直接激動劑作用，以確定當不存在GLP-1受體激動劑時是否激活GLP-1受體。

CCR5內化劑未能對HIV-1感染產生活性（真實例子）

HIV-1通過與趨化因子受體CCR5的相互作用感染細胞，因此減少HIV-1感染的潛在機制是CCR5的內化。衆所周知，趨化因子會內化CCR5，但內化過程的結果可能是可變的。例如，趨化因子CCL5快速內化受體，只是使它們快速循環回到細胞表面；在這種情況下，CCL5對HIV-1感染幾乎沒有影響。其他趨化因子，如AOP-RANTES，將受體內化並引導其進入細胞降解機制，從而阻止其重新出現在細胞表面。這個例子的教訓是要在受體內化機制的測定中進一步表徵內化受體的處置。

偏向性血管緊張素受體調節劑在心力衰竭中的失敗（真實例子）

TRV027是一種針對心力衰竭研究的偏向性血管緊張素II 1型受體調節劑。在一項針對急性心力衰竭患者的IIb期隨機、雙盲、安慰劑對照劑量範圍試驗中，TRV027沒有顯示出更優越的療效。儘管TRV027主要是一種血管緊張素受體拮抗劑，但它增加了一些功效（β-arrestin激動劑）。然而，試驗設計涉及短期48–96小時輸注TRV027，終點評估30天后對症狀和生存率的影響；這不是一種會檢測到TRV027獨特活性的設計。此外，患者隊列似乎沒有充分考慮腎素-血管緊張素活性，因此提供了一個負面背景，在此背景下，血管緊張素受體拮抗的任何益處都不會明顯。這個例子的教訓是，對候選分子進行臨牀評估可能需要提高敏銳度來辨別獨特的價值。

小結

新藥發現和開發的整個過程是許多技術和策略的複雜組合，這些技術和策略涉及鑑定以所需方式與藥物靶標相互作用的分子，以及將體外和動物模型中確定的藥理學特徵與患者的臨牀活性聯繫起來。種種的藥物開發失敗的例子表明，該過程的起點（靶標識別和驗證）和終點（對所選候選藥物進行充分的表徵和評估）之間存在溝壑。因此，以比以前更精確的方式表徵新的候選藥物，更接近“瞭解你的分子”的目標，將爲藥物開發帶來更好的結果。

參考文獻：

1. Know your molecule: pharmacological characterization of drug candidates to enhance efficacy and reduce late-stage attrition. Nat Rev Drug Discov.2024 Jun 18

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